Глава 5
Хитрый лис

Какую дорогу избрать? Какой предмет изучать? Ему нравились оба, но пришло время выбирать — ужасная дилемма. На дворе был 1796 год, а блестящий 19-летний юноша стоял перед решением, которому предстояло определить его дальнейшую жизнь. Настал момент определиться насчет жизненного пути. Карл Фридрих Гаусс происходил из обыкновенной семьи, но знал, что ему уготовано величие. Его способности были очевидны для всех, включая герцога Брауншвейгского — суверена той области, где Гаусс родился и где жила его семья. Проблема состояла в том, что способностей у него было слишком много, и сейчас предстояло выбрать между двумя пристрастиями — математикой и филологией.

Однако 30 марта все решилось помимо его воли, само собой, как результат любопытного, замечательного и совершенно беспрецедентного открытия. В тот день Гаусс нашел эвклидово построение правильного многоугольника с семнадцатью сторонами.

Это может звучать как нечто понятное лишь посвященным, но у Эвклида не было и намека на это построение. Несложно найти способы построения правильных многоугольников с тремя, четырьмя, пятью или шестью сторонами. Можно соединить конструкции для треугольника и пятиугольника и получить таким образом многоугольник с пятнадцатью сторонами, можно удваивать число сторон, что даст восемь, десять, двенадцать, шестнадцать, двадцать…

Но семнадцать сторон не лезли ни в какие ворота. Однако же построение его было верным, и Гаусс абсолютно точно знал почему. Все сводилось к двум очевидным свойствам числа 17. Это число простое: оно делится нацело только само на себя и на 1. Кроме того, оно на единицу превосходит степень двойки: 17 = 16 + 1 = 2⁴ + 1.

Если бы вы были гением, как Гаусс, вам было бы понятно, почему из этих двух непритязательных утверждений следует, что существует построение правильного семнадцатиугольника с помощью циркуля и линейки. Если бы вы были любым другим из великих математиков, живших между 500 годом до Р.Х. и 1796 годом, вы бы даже не заподозрили наличия здесь связи. Мы знаем об этом потому, что они действительно ничего такого не заподозрили.

Если Гаусс и нуждался в каком-либо подтверждении своего математического таланта, то он определенно такое подтверждение получил. И решил стать математиком.

Семья Гауссов перебралась в Брауншвейг в 1740 году, когда дед Карла устроился там садовником. Один из трех его сыновей, Гебхард Дитрих Гаусс, также стал садовником, время от времени подрабатывая то тут, то там — например, на кладке кирпича или прокладке каналов; иногда он выполнял работу «фонтанных дел мастера», а также помогал купцам и был казначеем небольшой похоронной кассы. Все более прибыльные профессии конвоировались гильдиями, и чужакам — даже чужакам во втором поколении — доступа туда не было. Гебхард женился во второй раз в 1776 году на Доротее Бенце — дочери каменщика, работавшей прислугой. Их сын Иоганн Фридерих Карл (сам себя всегда называвший Карлом Фридрихом) родился в 1777 году.

Гебхард был честным, упрямым, грубоватым человеком и не отличался особым умом. Доротея обладала острым умом и сильным характером — качества, которые оказались Карлу как нельзя более кстати. Когда мальчику исполнилось два года, его мать уже понимала, что у нее на руках необыкновенно одаренный ребенок, и она всей душой желала дать ему образование, которое позволило бы развить его способности. Гебхард же предпочел бы, чтобы Карл стал каменщиком. Лишь благодаря матери Карл смог исполнить предсказание своего друга — геометра Вольфганга Бойяи. Когда сыну Доротеи было 19, Бойяи сказал, что Карл станет величайшим математиком в Европе. Она растрогалась до слез.

Сын не забыл преданности матери: последние двадцать лет своей жизни она жила у него; ее зрение постепенно ухудшалось, и в конце концов она полностью ослепла. Великий математик решил, что будет сам о ней заботиться, и ухаживал за матерью до самой ее смерти в 1839 году.

Гаусс рано проявил свои способности. В трехлетнем возрасте он наблюдал, как отец, бравший в то время подряды на выполнение работ бригадой подсобных рабочих, раздавал еженедельный заработок. Заметив ошибку в расчетах, мальчик указал на нее изумленному отцу. Никто до этого не обучал его числам. Он выучил их сам.

Несколько лет спустя школьный учитель Й.Г. Бюттнер, желая немного передохнуть, задал классу, где учился Гаусс, задачу в надежде, что она займет их на несколько часов. Задача известна нам не вполне точно, но это было что-то вроде «сложить все числа от 1 до 100». Скорее всего, числа были не такие круглые, но в них содержалась скрытая закономерность: они образовывали арифметическую прогрессию, что означает, что разность между любыми двумя соседними числами была одинакова. Имеется простой, но не сразу очевидный способ сложения чисел из арифметической прогрессии, но в классе этого не проходили, так что ученикам предстоял долгий труд по сложению чисел одного за другим.

Этого, по крайней мере, ожидал Бюттнер. Он велел тем, кто выполнит задание, сразу же положить свою аспидную доску с ответом к нему на стол. Пока его одноклассники выписывали нечто вроде

с неизбежной ошибкой

и при этом не знали, где найти место на доске для следующего действия, Гаусс, подумав лишь мгновение, написал на своей доске мелом одно число, подошел к учителю и положил доску ему на стол ответом вниз.

«Он там», — сказал он и вернулся на свое место.

В конце урока, когда учитель собрал все доски, правильный ответ был лишь на одной — на Гауссовой.

Опять же, мы не знаем наверняка, как рассуждал Гаусс, но можно предложить правдоподобную реконструкцию. Скорее всего, Гауссу уже доводилось размышлять о суммах подобного рода, и он углядел полезный прием. (Если нет, значит, он сумел добрести его прямо на месте.) Простой способ получить ответ состоит в том, чтобы сгруппировать числа в пары: 1 и 100, 2 и 59, 3 и 98 и так далее до пары, состоящей из 50 и 51. Каждое число от 1 до 100 встречается в некоторой паре ровно один раз, поэтому сумма всех этих чисел равна сумме всех пар. Но в каждой паре сумма равна 101. А всего пар 50. Так что ответ — 50×101 = 5050. Это (или что-то эквивалентное) Гаусс и написал на своей доске.

Смысл этой истории не в том, что Гаусс был необычно силен в арифметике, хотя так оно и было — позднее, занимаясь астрономией, он запросто выполнял громоздкие вычисления со многими десятичными знаками, работая со скоростью тех умственно неполноценных людей, единственная способность которых состоит в навыке необычайно быстрого счета. Но вычислениями с быстротой молнии его способности не ограничивались. Чем он обладал в избытке, так это даром видеть в математических задачах скрытые закономерности и использовать их для нахождения решения.

Бюттнер был настолько потрясен тем, что Гаусс так легко справился с задачей, что, к чести его будь сказано, снабдил мальчика лучшей книгой по арифметике, которую можно было купить. Через неделю Гаусс уже превзошел своего учителя.

Так случилось, что у Бюттнера был 17-летний помощник Иоганн Бартельс, в официальные обязанности которого входило чинить перья для письма и помогать мальчикам ими пользоваться. Неофициально же Бартельс был влюблен в математику. Он привязался к яркому десятилетнему ученику, и они стали друзьями на всю жизнь. Подбадривая друг друга, они стали заниматься математикой вместе.

Бартельс был на дружеской ноге с некоторыми влиятельными фигурами в Брауншвейге, благодаря чему там вскоре узнали, что у них в глуши живет безвестный гений, семья которого прозябает на грани нищеты. Один из этих господ, советник и профессор Э.А.В. Циммерман, в 1791 году представил Гаусса герцогу Брауншвейгскому Карлу-Вильгельму Фердинанду. Герцог был очарован и впечатлен настолько, что взял на себя оплату образования Гаусса (он время от времени делал такое для способных детей бедняков).

Математика была не единственным талантом мальчика. К 15 годам он достиг значительных успехов в древних языках, которые изучал в местной гимназии; обучение там также оплачивал герцог. (В старой немецкой образовательной системе гимназия была чем-то вроде школы для подготовки к поступлению в университет. Слово переводится примерно как «старшая школа», но учиться там можно было только за плату.) Многие из лучших работ Гаусса были позднее написаны на латыни. В 1792 году он поступил в Карлово училище в Брауншвейге, и снова обучение оплачивал герцог.

К 17 годам он уже доказал замечательную теорему в теории чисел, известную как квадратичный закон взаимности. В ней утверждается фундаментальная, но достаточно неординарная закономерность в свойствах делимости полных квадратов. На эту закономерность обратил внимание еще Леонард Эйлер, но Гаусс об этом не знал и сам открыл все заново. Лишь очень немногие вообще задумывались о том, чтобы поставить этот вопрос. Юноша, кроме того, глубоко размышлял о теории уравнений. На самом деле эти размышления и привели его к построению правильного 17-угольника и тем самым направили на путь, ведущий к математическому бессмертию.

Между 1795 и 1798 годами Гаусс учился, чтобы получить диплом в Геттингенском университете, причем за обучение снова платил герцог Фердинанд. У Гаусса было немного друзей, но те дружеские отношения, которые он завязал, были глубокими и долгими. В Геттингене же Гаусс встретил Бойяи — опытного геометра в эвклидовых традициях.

Математические идеи приходили к Гауссу столь быстро и в таком изобилии, что иногда, казалось, полностью поглощали его. Когда в голове у него возникала новая идея, он мог внезапно уставиться в пространство, бросив при этом все, чем занимался до этого. Он сформулировал некоторые теоремы, которые были бы справедливы, «если бы истинной была не эвклидова, а другая геометрия». На переднем плане его размышлений было его главное сочинение — Disquisitiones Arithmeticae — и к 1798 году эта книга была в основном закончена. Однако Гаусс хотел удостовериться, что отдал должное своим предшественникам в вопросах приоритета, для чего отправился в университет Хельмштедта, где была прекрасная математическая библиотека, которую курировал Иоганн Пфафф — самый известный из немецких математиков.

В 1801 году, после огорчительной задержки в типографии, Disquisitiones Arithmeticae наконец вышла с изобильным и, без сомнения, искренним посвящением герцогу Фердинанду. Щедрость герцога не иссякла, даже когда Карл закончил университет. Фердинанд оплатил расходы, необходимые для издания с соблюдением всех необходимых требований диссертации Гаусса, представленной им в университете Хельмштедта. А когда Карл обеспокоился своим материальным положением после окончания университета, герцог определил ему пособие, позволявшее продолжать исследования, не слишком заботясь о деньгах.

Заслуживает упоминания и такая сторона Disquisitiones Arithmeticae, как ее бескомпромиссный стиль. Доказательства написаны очень тщательно и логически безупречно, однако изложение не делает читателю никаких поблажек и не дает подсказок насчет интуитивных соображений, стоящих за той или иной теоремой. Позднее Гаусс оправдывал такую позицию (которой он придерживался на протяжении всей своей карьеры) тем, что «когда строительство прекрасного здания закончено, окружавших его лесов больше не должно быть видно». Это прекрасно, если цель состоит исключительно в том, чтобы люди любовались зданием. Но не так уж прекрасно, если есть желание научить их строить самостоятельно. Карл Густав Якоб Якоби, работы которого по комплексному анализу основаны на идеях Гаусса, сказал о своем прославленном предшественнике, что «он как лис, который хвостом заметает свои следы на песке».

Приблизительно в то время математики постепенно подходили к осознанию того факта, что, хотя комплексные числа кажутся искусственным образованием, а их интерпретация туманна, использование их намного упрощает алгебру, позволяя решать уравнения единообразным способом. Изящество и простота — пробный камень математики, и новаторские концепции, сколь бы странными они сначала ни казались, имеют тенденцию в конце концов брать верх, если они способствуют сохранению изящества и простоты предмета.

Если работать только с традиционными «вещественными» числами, то уравнения ведут себя раздражающе беспорядочным образом. Уравнение x² − 2 = 0 имеет два решения — плюс или минус квадратный корень из двух, — но очень похожее уравнение x² + 1 = 0 вообще не имеет решений. Однако это уравнение имеет два решения в комплексных числах: i и −i. Символ i для обозначения √−1 был введен Эйлером в 1777 году, но появился в печати лишь в 1794-м. Теорию, выраженную лишь в терминах «вещественных» уравнений, загромождают исключения и необходимость педантичного разграничения различных случаев. Аналогичная теория комплексных уравнений оставляет в стороне все эти сложности за счет того, что с самого начала предлагается купить оптом одно-единственное усложнение — позволить комплексным числам появляться наравне с вещественными.

К 1750 году идеи, вызванные к жизни итальянскими математиками эпохи Возрождения, достигли зрелости и замкнутости. Предложенные методы решения кубики и квартики воспринимались как естественные обобщения вавилонского решения квадратных уравнений. В достаточных подробностях была разработана связь между радикалами и комплексными числами, причем было осознано, что в этом расширении обычной числовой системы у числа имеется не один кубический корень, а три; не один корень четвертой степени, а четыре; не один корень пятой степени, а пять. Ключом к пониманию того, откуда берутся эти новые корни, стало прекрасное свойство «корней из единицы», то есть корней n-й степени из числа 1. Эти корни образуют вершины правильного n-угольника в комплексной плоскости, одна вершина которого лежит в точке 1. Остальные корни из единицы располагаются на равных расстояниях вдоль окружности единичного радиуса с центром в точке 0. На рисунке показано расположение корней пятой степени из единицы.

В более общем виде, если дан любой конкретный корень пятой степени из некоторого числа, то можно получить еще четыре, умножая его на q, q², q³ и q⁴. Эти числа также располагаются по окружности с центром в 0. Например, корни пятой степени из 2 показаны на рисунке справа.

Все это очень мило, но здесь же содержится намек на нечто гораздо более глубокое. Корни пятой степени из 2 можно рассматривать как решения уравнения x⁵ = 2. Это уравнение пятой степени, и у него пять комплексных решений, причем только одно из них вещественно. Аналогичным образом уравнение x⁴ = 2 имеет четыре решения (все корни четвертой степени из 2), уравнение на корни 17-й степени из 2 имеет 17 решений и так далее. Не обязательно быть гением, чтобы подметить правило: число решений равно степени уравнения.

То же самое, как представлялось, выполняется не только для уравнений на корни п-й степени, но и вообще для любого алгебраического уравнения. Математики пребывали в убеждении, что в области комплексных чисел каждое уравнение имеет ровно столько решений, какова степень уравнения. (Технически это утверждение верно, только когда решения подсчитываются с учетом их «кратностей». Если это соглашение не использовать, то число решений равно степени уравнения или меньше ее.) Эйлер доказал это свойство для уравнений степеней 2, 3 и 4 и утверждал, что аналогичные методы будут работать и в общем случае. Его идеи выглядели правдоподобно, но заполнение пробелов в намеченной им схеме доказательства оказалось практически невозможным, и даже сегодня требуются серьезные усилия, чтобы довести метод Эйлера до логического конца. Тем не менее математики предполагали, что если они решают уравнение некоторой степени, то следует ожидать появления в точности стольких корней, какова эта степень.

По мере того как Гаусс развивал свои идеи в теории чисел и анализе, его все менее и менее удовлетворяло то, что никто не доказал это предположение. Характерно, что в конце концов он сам предложил доказательство. Оно было сложным и на удивление непрямым: любой квалифицированный математик мог убедиться в его верности, но никто не мог сообразить, как же Гаусс до него додумался. Математический лис мстительно вилял хвостом.

В переводе с латыни заглавие диссертации Гаусса звучало как «Новое доказательство, что каждую рациональную целую функцию одного переменного можно разложить на вещественные множители первой или второй степени». Если пробиться через профессиональные термины, принятые в то время, то заглавие утверждает, что каждый многочлен (с вещественными коэффициентами) равен произведению выражений, представляющих собой линейные или квадратичные многочлены.

Гаусс использовал слово «вещественные», чтобы ясно показать: он работает в рамках традиционной числовой системы, в которой отрицательные величины не имеют квадратных корней. В наши дни мы бы выразили теорему Гаусса в логически равносильном, но более простом виде: каждый вещественный многочлен степени n имеет n вещественных или комплексных корней. Но Гаусс тщательно подбирал выражения таким образом, чтобы его работа не опиралась на все еще несколько сбивающую с толку систему комплексных чисел. Комплексные корни вещественного многочлена всегда можно собрать в пары, что приводит к вещественным квадратичным множителям, а линейные множители отвечают вещественным корням. Сформулировав заглавие в терминах множителей этих двух типов («множители первой или второй степени»), Гаусс обошел стороной спорный вопрос о комплексных числах.

Одно слово в заглавии не оправданно: «новое» предполагает, что имеются «старые» доказательства. Гаусс дал первое строгое доказательство этой фундаментальной теоремы в алгебре. Но чтобы не обижать прославленных предшественников, утверждавших, что у них имелись доказательства — которые все оказались ошибочными, — Гаусс представил свое выдающееся достижение как всего лишь самое свежее доказательство, опирающееся на новые (то есть правильные) методы.

Эта теорема получила известность как Основная Теорема Алгебры. Гаусс считал ее настолько важной, что дал в общей сложности четыре доказательства, причем последнее — когда ему было 70 лет. Лично он не испытывал никаких колебаний или сомнений по поводу комплексных чисел: они играли значительную роль в его мыслительном процессе, и впоследствии он сформировал собственное объяснение их смысла. Однако он старался избегать разногласий. С годами он стал замалчивать многие из своих оригинальных идей — неэвклидову геометрию, комплексный анализ и строгий подход к комплексным числам, — потому что не хотел вызывать то, что он называл «плачем беотийцев».

Гаусс не ограничивался чистой математикой. В начале 1801 года итальянский священник и астроном Джузеппе Пьяцци открыл новую планету или то, что ему представлялось планетой, — тусклое пятно света в телескопе, от ночи к ночи менявшее свое положение на фоне звезд, что было верным признаком принадлежности тела к Солнечной системе. Планете должным образом дали имя Церера, но на самом деле это оказался астероид — первый открытый астероид в истории. Не успел Пьяцци обнаружить новый мир, как тут же потерял его в блеске Солнца. Он сумел сделать так мало наблюдений, что астрономы не могли вычислить орбиту нового тела и беспокоились, что не найдут его, когда оно снова выйдет из-за Солнца.

Это была задача, достойная Гаусса, и он охотно за нее взялся. Он изобрел улучшенные способы определения орбит исходя из малого числа наблюдений и предсказал, где должна появиться Церера. Когда так и произошло, молва о Гауссе распространилась повсеместно. Путешественник и естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт попросил Пьера-Симона де Лапласа — специалиста по небесной механике — назвать величайшего математика в Германии и получил ответ: «Пфафф». Когда недоумевающий Гумбольдт спросил: «А Гаусс?» — Лаплас ответил: «Гаусс — величайший математик в мире».

К сожалению, новоявленное светило отвлекло его от чистой математики на длинные вычисления для расчета орбиты, что можно было считать растратой его неординарных способностей. Не в том дело, что небесная механика не важна, — просто эту работу могли бы проделать и другие, менее талантливые математики. С другой стороны, из-за этого его дальнейшая жизнь полностью устроилась. Гаусс уже некоторое время искал постоянное место работы, которое оставляло бы возможность для общественного служения, с тем чтобы отдать должное своему покровителю — герцогу. Его работа о Церере привела к тому, что он стал директором Геттингенской обсерватории, и этот пост он занимал всю свою научную жизнь.

В 1805 году он женился на Иоанне Остхофф. В письме к Бойяи он так описывал свою новую жену: «Прекрасное лицо Мадонны, зерцало мира и здоровья, нежные, несколько мечтательные глаза, безупречная фигура — это одна сторона; яркий ум и развитая речь — это другая; но мягкая, безмятежная и целомудренная душа ангела, не причиняющая зла ни одному созданию, — это лучшее». Иоанна родила ему двоих детей, но в 1809 году умерла при родах, и убитый горем Гаусс «закрыл ее ангельские глаза, в которых я видел свой рай последние пять лет». Он начал страдать от одиночества, впал в депрессию, и жизнь уже никогда не была для него прежней. Он нашел новую жену — лучшую подругу Иоанны Минну Вальдек, но брак был не самым счастливым, несмотря на рождение еще троих детей. Гаусс постоянно спорил с сыновьями, а дочерям указывал, что им следует делать, и молодым людям настолько надоело это терпеть, что они уехали из Европы в Соединенные Штаты, где в дальнейшем преуспели.

Вскоре после начала своего директорства в Геттингене Гаусс вернулся к старой идее — возможности нового типа геометрии, которая удовлетворяла бы всем эвклидовым аксиомам, кроме аксиомы о параллельных прямых. В конце концов он пришел к убеждению, что логически непротиворечивые неэвклидовы геометрии возможны, но так и не опубликовал свои результаты из опасений, что их сочтут слишком радикальными. Янош Бойяи — сын его старого друга Вольфганга — позднее сделал аналогичные открытия, но Гаусс не счел возможным похвалить его работу, потому что сам предвосхитил многое из сделанного им. Еще некоторое время спустя, когда Николай Иванович Лобачевский независимо переоткрыл неэвклидову геометрию, Гаусс сделал его членом-корреспондентом Геттингенской Академии, но опять не высказал никакого публичного одобрения.

Годы спустя, по мере того как математики более подробно изучили эти новые геометрии, их стали интерпретировать как геометрии «геодезических» — кратчайших — путей на искривленных поверхностях. Если поверхность имеет постоянную положительную кривизну, как сфера, то геометрия называется эллиптической. Если кривизна постоянна и отрицательна (поверхность в каждой своей точке по форме напоминает седло), то это гиперболическая геометрия. Эвклидова геометрия соответствует нулевой кривизне — плоскому пространству. Эти геометрии можно охарактеризовать их метрикой — формулой для расстояния между двумя точками.

Эти идеи могли привести Гаусса к более общему исследованию искривленных поверхностей. Он вывел прекрасную формулу для величины кривизны и доказал, что она дает один и тот же результат в любой системе координат. В такой формулировке кривизна не обязательно должна быть постоянной: она может изменяться от точки к точке.

В зрелом возрасте Гаусс обратился к практическим применениям — вещь, нередкая среди математиков. Он консультировал несколько землемерных проектов, самым большим из которых была триангуляция области Ганновера. Он активно участвовал в полевых работах, а потом анализировал данные. Для облегчения этих работ он изобрел гелиотроп — прибор для обмена сигналами в отраженном свете. Но когда его стало подводить сердце, он прекратил занятия геодезией и решил провести оставшиеся годы в Геттингене.

В тот несчастливый для Гаусса период молодой норвежец по имени Абель написал ему о невозможности решения уравнения пятой степени в радикалах, но не получил ответа. Вероятно, Гаусс был слишком подавлен даже для того, чтобы взглянуть на статью.

Около 1833 года Гаусс заинтересовался магнетизмом и электричеством. Совместно с физиком Вильгельмом Вебером он работал над книгой, озаглавленной «Общая теория земного магнетизма», которая вышла в 1839 году. Они также изобрели телеграф, связавший Гауссову обсерваторию с физической лабораторией, где работал Вебер, но провода непрерывно рвались, и другие изобретатели предложили более практичный проект. Вебера выгнали из Геттингена вместе с шестью другими учеными из-за их отказа принести присягу новому королю Ганновера Эрнсту Августу. Гаусса это сильно расстроило, но его политический консерватизм и нежелание «поднимать волну» не позволили ему выступить с каким-либо публичным протестом, хотя в кулуарах он и пытался поддержать Вебера.

В 1845 году Гаусс написал докладную записку по поводу пенсионного фонда для вдов геттингенских профессоров, в котором проанализировал возможное влияние резкого увеличения числа членов фонда. Он вкладывал деньги в правительственные фонды и железнодорожные акции и составил порядочное состояние.

После 1850 года, страдая от проблем с сердцем, Гаусс сократил объем работы. Для нашего рассказа наиболее важным событием этого времени была Habilitation, диссертация его ученика Георга Бернхарда Римана. (В немецкой академической системе эта диссертация — вторая степень после кандидатской.) Риман обобщил работу Гаусса о поверхностях в многомерных пространствах, которые он назвал многообразиями. В частности, он расширил концепцию метрики и нашел формулу для кривизны многообразия. По существу, он создал теорию искривленных многомерных пространств. Позднее эта идея оказалась основополагающей для работ Эйнштейна по гравитации.

Гаусс, за которым теперь постоянно присматривал врач, посетил публичную лекцию Римана по этому вопросу и был глубоко впечатлен. По мере того как его здоровье ухудшалось, он проводил все больше времени в постели, но продолжал писать письма, читать и управлять своим капиталом. В начале 1855 года Гаусс мирно скончался во сне. Это был величайший в мире математический ум из всех известных.